Violence de la turbulence en fonction de la vitesse de l'avion

Pour faire bref, toute condition aérologique engendrant des courants ascendants utilisable par un pilote de planeur sera appelée turbulence par un pilote d'avion à moteur car ce dernier ne pourra (ou ne voudra) pas exploiter ces courants ascendants. Qui plus est, plus l'aéronef volera vite, plus il sera soumis à des facteurs de charge importants qui sont estimés dans ce qui suit. Soit d la distance entre un courant ascendant de vitesse verticale w et un courant descendant de vitesse verticale -w et soit u la vitesse de l'aéronef. L'accélération moyenne a subie par cet avion sera :

On considère une ascendance thermique assez forte où w = 5 m/s, u = 125 m/s (vitesse maximale autorisée jusqu'à 10 000 pieds) et d = 100 m (distance moyenne entre l'ascendance et la descendance). On obtient alors a = 12,5 m/s2 ce qui est supérieur à l'accélération de la gravité (10 m/s2). Le passager ou le pilote de cet aéronef qualifiera cette turbulence de sévère. Toutefois, un pilote de planeur volant à 20 m/s, subira une accélération de 2 m/s2 et qualifiera cette turbulence de légère. De plus ce pilote centrera correctement cette colonne ascendante et se retrouvera dans le noyau laminaire de l'ascendance et ne sera pratiquement plus soumis à une quelconque turbulence.

De manière équivalente, si u est la vitesse de l'aéronef et la vorticité, le facteur de charge sera :

ce qui signifie que plus l'avion vole vite et plus la vorticité est grande, plus violente sera la turbulence ressentie.

Facteurs météorologiques des turbulences

Comme il a été vu plus haut toute situation engendrant des ascendances utilisables par les vélivoles engendrera des « turbulences » pour le pilote d'avion à moteur. Les principaux types d'ascendances sont les suivants :

Les ascendances thermiques se produisent à basse altitude sous les cumulus de beau temps. Lorsque l'avion de ligne volera au-dessus de la couche d'inversion, l'air sera en général laminaire.

Les rotors se produisent en aval d'une chaîne de montagne par vent fort. Ils sont associés à des ondes orographiques. Ils sont clairement un danger pour les avions de ligne et dans le cas de rotors de type II associés à un ressaut hydraulique, ils peuvent aussi être un danger pour les planeurs. Ces rotors extrêmement violents ont par le passé brisé des planeurs3.

Les ondes orographiques sont laminaires, mais ont appelées improprement « turbulences » par les pilotes volant aux instruments car ces derniers ne peuvent maintenir leur altitude.

Dans le cas de vols, dans ou sous un cumulonimbus, les puissants courants ascendants seront appelés turbulences par les pilotes d'avion car même si les ascendances sont laminaires comme à l'avant du nuage4. le pilote sera incapable de maintenir l'altitude qui lui est assignée. De plus, la partie haute des cumulonimbus est soumise à des turbulences réelles qui peuvent être sévères voire extrêmes dans le cas d'un orage supercellulaire. En effet, la vapeur d'eau dans masse d'air en ascension subit un double changement de phase de l'état vapeur à l'état liquide puis de l'état liquide vers l'état solide ce qui entraîne une libération considérable de chaleur latente qui accélère la vitesse verticale de la masse d'air et par conséquent sa turbulence.

De manière générale, lorsque l'aéronef traverse une zone de cisaillement séparant deux masses d'air, engendrant une instabilité de Kelvin-Helmholtz, il sera soumis à des turbulences brèves mais sévères. Le cas le plus courant est le front de rafales séparant la colonne ascendante et descendante lors d'un orage. Une instabilité de Kelvin-Helmohltz peut aussi se produire dans la zone de transition entre un rotor et la partie laminaire d'une onde orographique. Finalement, des turbulences sévères peuvent être rencontrées au niveau d'une inversion de température qui sépare une masse d'air calme au niveau du sol et un courant jet de bas niveau au-dessus de la couche d'inversion.

Effets de la vitesse du vent

La turbulence est l'écart-type σ de la vitesse de l'air en un point donné. À la suite de mesures qui ont été effectuées, il a démontré qu'en présence d'un courant-jet de bas niveau, on a approximativement,

où u est la vitesse horizontale moyenne de l'air5.

L'énergie cinétique turbulente (en anglais Turbulent Kinetic Energy ou TKE) peut être définie comme étant:

En supposant que la turbulence σ est proportionnelle à la vitesse du vent u, alors l'énergie cinétique de la turbulence est proportionnelle à u2 et donc l'intensité de la turbulence sera proportionnelle au carré de la vitesse du vent6.

Turbulence en air clair

Conséquences pour l'aviation commerciale
La turbulence en air clair est la présence de turbulences atmosphériques en l'absence de nuages; cette notion de turbulence en air clair concerne principalement les pilotes d'avions de ligne. Cette expression est dérivée de l'anglais (clear air turbulence), plus correctement on devrait dire turbulence sans indications visuelles. Cette turbuluence peut correspondre à une instabilité de Kelvin-Helmholtz provenant du cisaillement entre deux masses d'air se déplaçant à des vitesses différentes7.

La haute troposphère à des altitudes comprises entre 7 000 mètres et 12 000 mètres est la zone la plus à risques. Dans cette fourchette d'altitude, la turbulence en air clair se rencontre le plus fréquemment à proximité de courants-jets. À basse altitude, la prétendue « turbulence en air clair » peut simplement correspondre à des ondes orographiques (qui sont laminaires) où à des rotors comme il a été expliqué plus haut.

La turbulence en air clair peut dégrader le confort des passagers ou voire mettre en péril l'aéronef.

Détection

La turbulence sans indication visuelle par définition ne peut pas être détectée visuellement. Toutefois, un pilote d'avion de ligne qui est aussi pilote de planeur saura reconnaître les nuages lenticulaires qui peuvent être extrêmement discrets mais qui marquent la présence d'ondes de gravité. Ce même pilote pourra aussi reconnaître des nuages de rotors à plusieurs dizaines de milliers de pieds sous son appareil qui traduisent la présence d'ondes orographiques.

Ces turbulences en air clair sont difficiles à détecter à l'aide d'un radar météorologique classique, au sol ou aéroporté, ne mesurant que la réflectivité car il nécessite des précipitations pour obtenir des échos8. Cependant, les radars modernes utilisent l’effet Doppler-Fizeau pour noter à courte portée le déplacement de fines particules ou d'insectes pour estimer le vent. En particulier, certains radars d'aéroport sont utilisés pour repérer la turbulence à bas niveau. Ils balayent très lentement l'horizon et utilisent l'effet Doppler.

Ces turbulences peuvent également être détectées par des radars spécialisés appelés profileur de vents qui pointent verticalement et utilisent la diffraction de Bragg pour détecter la variation de densité de l'air due aux turbulences. Ils sont aussi utilisés dans certains aéroports. Finalement, d'autres instruments optiques comme des scintillomètres, des interféromètres à N fentes et des sodars sont également utilisés pour mesurer le déplacement des particules d'air par l’effet Doppler9.

Bien que les altitudes proches de la tropopause soient en général libres de nuages (sauf en présence de cumulonimbus), les cirrus qui se forment peuvent traduire une instabilité de Kelvin-Helmholtz associée par exemple à des courants-jets10.. Des cirrus uncinus alignés perpendiculairement au courant jet peuvent trahir la présence de turbulences en air clair. En particulier, si les terminaisons des alignements de cirrus montrent des signes de dispersion, la direction dans laquelle les cirrus se dispersent peut indiquer de quel côté du courant jet la turbulence est la plus forte.

Article de https://fr.wikipedia.org